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建筑施工混凝土温度与裂缝研究

摘 要:混凝土是建筑工程中不可或缺的材料,但在施工过程中可能由于某些原因,而会出现裂缝,影响工程整体质量。笔者在多年的实践经验及阅读大量相关文献的基础上,探讨了建筑施工混凝土温度裂缝出现的原因,并提出了防治措施。
关键字:混凝土;温度应力;裂缝;防治
   在建设工程中,混凝土占据了重要位置,其质量在一定程度决定着工程质量。混凝土裂缝在现代工程建设中几乎已经成为了一种常态,究其原因,主要是由于拉应力超过抗拉强度承受能力,而对温度应力及控制的疏忽是重要原因。因此,笔者针对温度导致的混凝土裂缝进行了阐述,并提出了预防方案。
1 温度裂缝的原因
   混凝土裂缝产生的因素有多种,主要包括湿度及温度的变化、本身不均匀及脆性、设计结构不科学、模板出现变形、使用不达标的原材料等诸多因素。其中首要因素是温度。热胀冷缩对混凝土的影响最为明显,硬化期水泥释放水化热,这会使内部增温,在外表产生拉应力,但是后期的降温会在混凝土内外部产生拉应力,这种温度变化会导致的内外拉应力的变化,如果出现拉应力超出抗拉强度时,就会产生温度裂缝。湿度对混凝土的影响主要表现在养护上,因为湿度在混凝土外部变化较内部而言更为剧烈,时而潮湿时而干涸的表面变化受到内部湿度缓慢变化的约束,当外部湿度超过内部湿度约束力时就有可能导致裂缝出现。混凝土的脆性及不均匀性也可能导致出现裂缝,混凝土的抗压强度是抗拉强度的十倍左右,短期加荷及长期加荷的极限拉升变形都比较小。不均匀的原材料及不稳定的水灰比例,导致在浇筑及运输过程中出现离析现象,而且每块混凝土中的抗拉强度不均匀,有许多抗拉力较低、易产生裂缝的脆弱部位等,都是产生裂缝的隐患。钢筋混凝土的拉应力由钢筋承受,混凝土承担压应力。在钢筋或素混凝土的外缘部,假如出现了拉应力,只能靠混凝土本身承受,将会直接隐藏下混凝土出现裂缝的隐患。通常设计拉应力就有要求,即最大限度减小拉应力或无拉应力。但是由于混凝土在使用之前会经历一段温度变化时期(最高温度冷却至稳定温度),这个时期混凝土内部会产生较强拉应力。而其他外荷载产生的应力没有温度产生的应力强,因此,了解熟悉温度应力的规律可以为混凝土结构设计及施工提供理论支撑。
2 温度应力变化的原因
2.1温度应力形成过程
   在浇筑混凝土期,水泥释放大量水化热,同时混凝土的弹性模发生快速变化,致使混凝土内部在这一期间内(30天)形成残余应力;在混凝土中期(水泥放热基本结束到混凝土冷却至稳定温度),混凝土冷却过程与外界温度变化导致温度应力的产生,而且这样应力与残余应力形成合力,但混凝土弹性模量在此期间没有大变化。在混凝土晚期(中期结束至运转时),外表温度引起的温度应力与前两期应力叠加在一起,将会形成最终的温度应力。
2.2 引起温度应力的原因
   温度应力主要是由自身应力、约束应力引起的,自身应力是指在完全静止结构及没有任何边缘约束情况下,混凝土本身结构之间相互约束产生的温度应力;约束应力是指混凝土结构部分边缘,及全部边缘由于受到外界的约束而产生的温度应力。混凝土干缩产生的应力与自身及约束应力共同产生作用,所以计算温度应力大小及分布是比较困难。一般情况会使用数值及模型试验对温度应力进行计算,但是在计算时要考虑余变因素。
3 控制温度应力及防止裂缝的措施
3.1 控制温度应力的措施
   温度应力是产生混凝土裂缝的首要因素,所以本文从控制温度应力的角度出发,结合混凝土早期养护措施,综合提出了防止混凝土裂缝的措施。
   从改变自身应力角度为出发点,笔者提出了以下几点改进建议:(1)减少混凝土的水泥使用量,改进骨料颗粒配比,采用干硬混凝土或掺入混合材料等;(2)浇筑温度的控制办法,使用水搅拌混凝土或冷却碎石,在热天浇筑时,要降低浇筑的厚度,注重层面散热功能,在混凝土内部设置水管,用冷水减低内部温度等;(3)表面保温措施,规定拆模大致日期,在气温骤降时节采取表面保温措施,防止出现表面温度剧烈变化;冬季对暴露在外面的混凝土表面及薄壁进行保温。
   笔者同时提出了约束应力的改善措施,具体改善措施如下:(1)科学合理地对混凝土进行分块分缝;(2)控制混凝土基础起伏,尽量减小起伏波动;(3)科学制定施工工序,防止混凝土表面长期暴露及出现过大高差。此外笔者针对其他因素引起的裂缝也进行了探讨,提出了改进意见。如:加强混凝土养护,预防其外表干缩,提高其抗裂,以预防其产生贯穿裂缝;科学拆除模板,并在拆除之后对表面进行保温,避免“温度冲击”导致的裂缝;为了防止钢筋混凝土出现浅而细的裂缝,一方面,可以使用直径较细而且间距较密的钢筋,提高混凝土抗裂能力,另一方面,可以使用外加剂,如减水防裂剂,它有多种功能,首先,减水防裂剂能够使水泥的稠度得到改善,降低其泌水量,防止其下沉缩变;同时它可以缓解混凝土的凝结时间,避免水泥快速释放水化热,防止增加水泥长时间不凝结导致的塑性收缩;再者,其可以提高骨料与水泥浆的粘结度,改善混凝土的抗裂能力;混凝土在收缩过程中会承受约束,并产生约束应力,当这种力超过抗拉强度后,就会出现裂缝,而减水防裂剂正好可以改进混凝土的抗拉强度,能够有效防止裂缝的出现;外加剂的使用还可以改进混凝土的密实性,从而降低由于碳化引起的缩水,改善混凝土的抗碳化性能;而且减水防裂剂可以改善混凝土的和易性,使表面容易抹平,构成降低水分蒸发及干燥收缩的微模,总之减水防裂剂可以加强混凝土的密实性、抗碳化性、塑性、和易性、抗裂性及缓凝等。
3.2早期养护措施
   经过多年的实践,笔者发现温度梯度是混凝土裂缝产生的主要因素,尤其寒冷区域的温度骤降更容易导致表面裂缝的出现。所以对混凝土的早期保温显得尤为重要,这是防止表面裂缝的重要手段。笔者从温度应力的角度出发,提出了早期保温养护所要达到的目标:①避免混凝土内部结构及表面形成温度差及表面温度梯度,预防表面出现裂缝;②避免混凝土过冷,要做到最低温度不低于混凝土运转时的稳定温度;③避免老混凝土超冷,防止新老之间形成约束应力。对混凝土进行早期养护,主要是为了保证混凝土有个适宜稳定的温度环境,防止混凝土受到温度及湿度的不利因素的影响,避免其不正常的干缩及冷缩;同时还可以保证水泥水化正常进行,达到预计的设计强度,并提高混凝土抗裂性能。合宜的温度和湿度相互影响,混凝土保湿防护措施也会达到保温的目的。新浇筑混凝土所包含的水分理论上是可以完成水泥水化的要求,但是在浇筑过程中会出现水分的流失,这会直接影响水化的进程,对表面混凝土产生不良影响。所以浇筑混凝土的最初几天,一定要对其进行养护,防止其留下裂缝隐患。
4 结论
   笔者从控制温度应力的角度出发,提出了控制自身应力的措施,以及控制约束应力的措施,同时提出了要在早期做好保温养护的措施,通过以上措施的实施,最终必然能够达到消除裂缝的目的。
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